第32卷第7期电子与信息学报Vol.32No.7 2010年7月Journal of Electronics amp Information Technology Jul. 2010 码分双工系统中的干扰抑制技术金小鹿马猛焦秉立北京大学信息科学技术学院北京100871 摘要码分双工CDD是近年来新提出的一种双工方式它支持上、下行信道同时使用同一频段。但是由于上、下行信号可能存在较大的功率差异因而会导致较严重的相互干扰。该文针对这一问题提出了一套有效的干扰抑制和消除方案。首先文中分析了CDD系统存在的几种干扰在此基础上提出了基站端采用分布式天线和干扰消除器处理干扰的策略移动台间的干扰则依靠定位技术和调度算法进行抑制。最后计算及仿真结果证明了码分双工系统的可行性。关键词无线通信码分双工分布式天线干扰消除中图分类号TN92 文献标识码 A 文章编号1009-5896201007-1525-06 DOI: 10.3724/SP.J.1146.2009.01093 Interference Suppression for Code Division Duplex Systems Jin Xiao-lu Ma Meng Jiao Bing-li School of Electronics Engineering and Computer Science Peking University Beijing 100871 China Abstract: Code Division Duplex CDD is a novel duplex technique for next generation mobile communication systems. It supports the transmission for uplink and downlink at the same frequency band and the same time interval. As the power levels of uplink and downlink are of potentially great difference the signals over uplink and downlink channels may interfere with one another riously. In order to solve this problem this paper propos a novel technique to suppress the interference between uplink and downlink. First veral kinds of interferences are analyzed and then an interference cancellation scheme combined with distributed antennas technique is propod for ba station. The interferences between mobile sta
tions can be mitigated by the prented time slot assignment strategy bad on the location technique. Finally numerical calculations and simulation results show the effectiveness of the propod methods. Key words: Wireless communication Code Division Duplex CDD Distributed antennas Interference cancellation 1 引言随着无线通信技术的迅猛发展无线通信系统将面临的瓶颈是频率资源的稀缺。抑制系统中的干扰能有效地提高系统频谱效率因此成为无线通信系统中一项重要的研究课题。目前的双工方式主要分为时分双工Time Division Duplex TDD和频分双工Frequency Division Duplex FDD两种1。尽管这两种方式可以较好地隔离同小区内的上、下行信道并抑制它们之间的干扰但是同频小区之间仍然会产生较大的同频干扰限制了系统容量的提升23。近年来智能码技术为解决上述问题提供了一2009-08-17收到2009-11-20改回新一代宽带无线移动通信网科技重大专项基金2009ZX03003-011资助课题通信作者金小鹿
jxlpku.edu 条崭新的道路。智能码的特点是在预先设定好的一定相关时间窗内具有完全理想的自相关和互相关特性4。基于智能码的这一优越性能李建业教授提出了一种新颖的双工方式码分双工Code Division Duplex CDD5。在CDD系统中系统的上、下行信道被分配到同一频段内的不同码信道上相邻的同频小区也被分配使用不同的智能码。利用智能码在相关时间窗口内的理想自相关和互相关特性码分双工系统理论上可以消除小区间和小区内的同频干扰。这一双工方式尤其适合于同频复用因子较低的情况此时CDD系统的抗同频干扰特性体现得尤为明显。尽管从基带信号处理的角度上考虑CDD系统
可以完全消除具有有限时延的多径同频干扰但是在实际应用中由于远近效应和小尺度衰落等原因干扰信号可能会远大于期望信号的接收电平从而1526 电子与信息学报第32卷在射频频段和采样信号上将期望信号淹没导致上、下行信道间仍然存在干扰本文分别称之为“上行双工干扰”和“下行英女王圣诞致辞
接入干扰”。迄今为止还没有研究针对CDD系统干扰提出有效的解决途径。为解决这一问题本文分别从上、下行链路的角度分析了干扰并分别提出了抑制干扰的方法理论分析和仿真结果证明新方法可以有效地抑制CDD系统中的干扰为CDD技术的
什么翻译器最好实际应用清除了障碍。2 系统模型在传统的中心激励模式的小区结构中基站天线位于小区中心实现上、下行信号的收发。考虑到CDD系统的上下行信号工作于相同频段和相同时间内因而采用同一根天线进行收发并不现实。为此本文提出将收发天线分离的策略。考虑到手机设备通常是能量和体积受限的因而上行信道更易受到干扰。为此本文采用了分布式接收天线的方法提高上行链路性能和容量。以码分双工系统的一个独立的小区为例如图1所示基站发射天线和传统小区一样位于小区中央而多个接收天线则按照一定规则分布于整个小区6。发射天线和接收天线之间通过有线方式连接。移动台随机散布于小区内与基站发射、接收天线进行通信。图1 采用分布式接收天线的单个小区结构示意图通常情况下基站发射天线架设在较高的位置上其发射的信号可以覆盖整个小区。同时每个接收天线都提供一定范围的覆盖接收处于此范围内的移动台的发射信号。多根接收天线联合实现整个小区的无缝覆盖。由于手机天线无法分离成独立的接收和发射天线因而对于某个单独的手机用户来说无法在同一个
aunt是什么意思时隙、同一频段内进行接收和发射。为此必须设计系统时隙的调度算法使得同一用户的收发时隙分离即对于手机用户来说双工方式应该是CDD与TDD
混合的。系统帧结构设计为如图2所示上、下行数据帧使用等长的时隙每个时隙又被划分为不同的码信道。每个用户的上、下行信道可以从不同时隙中的不同码信道中选择。对于上行传输系统可以选择接收信号强度最高的接收天线作为上行信号的接入点。在CDD系统中基站在时间上可连续发射下行信号并同时接收上行信号移动台则按照时隙分配工作。为了避免移动台上、下行切换时由于信号延迟导致的干扰时隙中需要有一定的保护间隔。图2 CDD系统帧结构示意图由于CDD系统中上、下行信道处于同一个频段并且同时发射因而工作于下行的移动台会受到同时工作在上行移动台的干扰。而且基站接收天线会同时接收到基站发射天线和移动台的发射信号即基站发射天线构成对基站接收天线的强干扰。为论述方便文中将上述干扰分别定义为下行接入干扰和上行双工干扰。考虑到基站信号发射功率较大、基站天线位置高且体积大等因素下行信号覆盖面积大因而基站发射天线对基站接收天线的上行干扰较为强烈。而移动台由于受到能量和体积的限制、而且所处位置一般较低因而通常情况下其发射信号衰减更为迅速。因此相比下行接入干扰来说上行双工干扰更为严重。 3 码分双工系统上行双工干扰消除策略尽管上行双工干扰较为严重但是由于上下行业务流量的不对称性使得上行信道具有更大的处理增益。本节分析了这一因素在上行双工干扰消除中所带来的优势然后提出了一种干扰消除方法以进一步保证系统的实用性和稳定性。3.1 非对称业务引起的SINR增益随着数据、多媒体业务的不断增欲望都市第一季下载
hanako多上、下行系统流量的不对称性正逐步增大。近年来大量统计数据显示无线通信系统的上、下行流量比例约等于14而且这一不对称性还在继续扩大7。在CDD系统中上、下行信道占用相同的频带并被分配以对等数目的码信道。由于上行信道数据流量小因而可以利用相对丰富的频率资源获得更多的处理第7期金小鹿等码分双工系统中的干扰抑制技术1527 增益或编码增益从而在能量效率上获得提高。为了更一般性地表明上述关系本文从信息论的角度进行一些推导和阐述。由香侬定律可知信道容量或称为最大的无误传输速率与接收机信噪比有一定的函数关
系。如果将要求无误传输的数据速率降低则对应的信噪比也可以降低因而系统的抗干扰能力相应地增强。这里假设基站接收天线与移动台之间、基站发射天线和接收天线之间均不存在直射径则信号传播环境可以建模为瑞利频率选择性衰落信道平均信道容量可以表示为8 9 1/21loglnCBeΓΕΓΓ 1 其中C表示平均信道容量B为系统带宽Ε为欧拉常数取值为0.5772157ΕΓ是信道平均信噪比并假定2Γgt。根据上下行业务流量比例的统计数据系统对上下行信道的无误传输速率有不同的要求即14ULDLCC 2 其中ULCDLC分别表示上、下行平均信道容量。考虑到上下行信道被分配相等的频率资源由式1和式2可以得到如下关系式
11expln411explnDLDLDLULULULΕΓΓΓΕΓΓΓ
3 渲蠻LΓDLΓ分别表示上、下行信道平均SNR。式3给出了ULΓ和DLΓ之间的函数关系我们将这一函数
yohan关系表示在图3中。由式3和图3可以看出上行信道要求的信噪比要远小于下行信道所要求的信噪比。例如在下行信道处于10 dB的信噪比条件时上行信道只需要提供0 dB的信噪比就可以实现下行传输速率的1/4倍。这说明在使用相同频率资源的情况下传输速率的降低可以换取能量效率的提高或是抗干扰性能的增强。尽管上述推导依赖于理论上的编码性能极限但是对于一般的实际情况仍然存在上述定性关系并且随着信道编码性能的提高逐步趋近上述定量的结论。3.2 上行双工干扰在CDD系统中基站发射天线发射的下行信号不可避免地会传播到基站接收天线构成对上行信号的干扰称之为上行双工干扰。基站接收天线处的信干噪比SINR可以表示为
0MSBSRNPrPRPγ 4 图3 ULΓ和DLΓ的数值关系图其中MSP为接收到的来自移动台的期望信号功率BSRP为接收到的来自基站发射天线的干扰信号功率0NP为噪声功率r为接收天线与移动台之间的距离R为发射天线与接收天线之间的距离。令PG表示扩频码的处理增益则每个符号的解调信噪比可以表示为0/PGbENγ 5 系统根据其自身的抗干扰能力对解调信噪比通常有一个门限要求则式4和式5对天线接收信号的信噪比也提出了一个门限要求。例如设0/bEN的门限值为5 dB上行链路的处理增益PG 27 dB则由式5可以得到γ的最小门限值为-22 dB。接下来本文采用
IMT-Advanced中的路径损耗模型10对下行链路进行预算并计算了接收天线的覆盖半径。考虑到基站发射和接收天线之间不存在视距它们之间的路径损耗可圆捎梅鞘泳嗄Ｐ图?BSRBSTTARAPRPGPLRG 6 其中36.7lg22.726lgcPLRRf 7 这里采
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用一些系统常用的典型数值。其中BST49dBmP为基站发射天线发射功率BSRP为接收功率TA17 dBG为基站发射天线增益RAG17 dB为接收天线增益cf为载波频率。移动台与其对应的分布式接收天线之间的路径损耗采用非视距模型即MSMSTMSRAPrPGPLrG′?? 8 其中36.7lg22.726lgcPLrrf′ 9 MST24dBmP为移动台发射功率MSG0dB为移动台发射天线增益。由式4可以得到
0MSBSR/22dBsNPrPRP?? 10 其中sr表示在要求门限下接收天线与其能有效通1528 电子与信息学报第32卷信的移动台之间的最大距离即该接收天线的有效覆盖半径。求解式10可以得到满足接收干扰门限要求的接收天线覆盖半径BSRMST02222.726lg36.710iNRcPRPGPfisr11 图4 给出了
0101dBmNP??2GHzcf 4GHz两种情况下的数值结果。图4 覆盖半径sr与发射天线-接收天线距离R的关系从图4中可以发现由于上行双工干扰太强导致接收天线只能覆盖很小的范围无法满足实际布网的需要。因而必须寻找办法有效抑制上行干扰才
可以使接收天线范围增大。为此本文提出了一种自适应干扰消除器来消除上行双工干扰其结构示意图见图5。基站发射机与接收机之间通过有线信道连接。通过该有线信道基站发射机可以将其基带信号传输至基站接收机。为了在基站接收机端重建下行干扰信号并将其消除需要采用信道模拟器构建等效的基带信道。当采样频率4倍于CDD系统带宽时用一定长度的抽头滤波器可以精确地模拟空中信道。利用接收天线接收到的信号和有线连接传输过来的基带发射信号对信道模拟器进行训练。训练完成后
基站的基带发射信号经过信道模拟器、奈奎斯特Nyquist插值和射频调制重建出基站接收天线处的干扰信号。将这个重建的干扰信号与接收到的空口信号相减实现了干扰消除。利用有限冲激响应FIR滤波器进行干扰消除后式5可写为dingxian
MS0/PrERNγ 12 其中ER为残余的上行双工干扰。在接收信干噪比门限为-22 dB的情况下有0MS/22dBsNPrERP?? 13 由式12和式13可以得到采用干扰消除后的接收天线覆盖半径为0MST2222.726lg36.710iRcERNGPfisr14 结合干扰消除的仿真结果计算出经过干扰消除后接收天线的覆盖半径和该接收天线与发射天线距离的关系如图6所示。图6 干扰消除后覆盖半径sr与发射天线-接收天线距离R的关系由图6可以看出经过干扰消除后上行双工干扰被有效地抑制已经不会再威胁系统性能接收天线的覆盖半径明显增加可实现对整个小区的无缝覆盖保证了系统的可实现性。4 码分双工系统下行接入干扰抑制方法CDD系统的上、下行时隙在时间上是重叠的。因此工作于上行的移动台信号会泄露到同时工作于下行的移动台导致出现下行接入干扰。根据第2节中的分析移动台干扰的能量较低且衰减迅速因而可以利用调度的方法使得每个时隙接入的移动台中上行干扰移动台始终与下行接收移动台保持一定的距离这样移动台干扰就可以在这段传播距离上得到衰减。只要该下行干扰在移动台接收天线上不会淹没下行信号依靠上、下行信道智能码之间的正交性下行干扰在信号解扩的过程中就可以被消除。图5 自适应干扰消除结构示意图第7期金小鹿等码分双工系统中的干扰抑制技术1529 为了方便实现上述干扰抑制调度思想本文借鉴小区规划中的频率复用概念11并结合第2节中介绍的基于
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时隙分配的用户接入策略提出了一种基于时隙分配的微小区策略以解决移动台之间的下行双工干扰。具体的时隙复用方案如下。小区根据基站接收天线的覆盖范围被划分为若干个工作区域或称微小区每个微小区中央设有基站接收天线并为每个区域分配不同的时隙每个区域分配的时隙数目等于一帧内总的时隙数除以微小区的数目。基站可以根据用户需要灵活选择这些时隙为上行或者下行。每个区域内的用户只可以选择其所在区域内的时隙进行接入。相邻的区域被分配以不同的时隙因而相邻区域的用户使用不同时间段内的码信道只要时隙同步准确就不会产生干扰。使用相同时隙的区域必须距离足够远从而使下行双工干扰降低至可接受的水平。将相邻的使用所有可用时隙的若干区域归为一个簇并在整个小区内对簇进行重复使用即可以实现无缝覆盖。下行接入干扰的强度受干扰移动台和被干扰移动台之间的距离即同时隙复用距离以及干扰移动台的个数等因素的影响。其中干扰个数通常根据用户需求的不同会发生变化而同时隙复用距离是影响干扰抑制和系统效率的一个重要系统设计参数。下面就对该参数进行设计和讨论。首先必须确定基站发射功率和移动台功率的分布。考虑到在整个小区中位于小区边缘的移动台接收到的来自基站的发射信号最弱这个因素决定了这些移动台接收到的基站有用信号与干扰的相对值最小因此应该以这些移动台作为研究对象来确定隔离下行双工干扰需要的最小距离。对位于
大兵保镖小区边缘的移动台下行基站信号功率与移动台所受干扰的比值可以表示为
BSR40041cniiPRSrIpd∑ 15 其中1kmcR为小区半径id为受干扰移动台与第i个干扰移动台之间的距离n
为干扰移动台的总数目。由式6可得出受干扰移动台接收到的基站信号功率为BSRBSTTARA11123.4461102GHz
5.6839104GHzccccPRPGPLRGWfWf××假设在最近6个同时隙的区域里各有一个移动台处于上行状态这意味着式15中的6n。此时处于下行的目标移动台受到的干扰最强同时由于目标下行移动台处于基站发射天线的覆盖区域边缘因此它接收到的来自基站的信号最弱。我们计算该情况下满足接收信干噪比要求的同时隙隔离距离即使得该隔离距离满足最差情况下的系统要求。由于移动台用户通常均匀分布为方便计算假设相邻同时隙区域内的干扰用户位于区域中心这相当于对不同位置的干扰做平均的结果图7示意了这种情况12。图7 首层同时隙移动台示意图由图7的几何关系可得出BSR44402cPRSIpdrdrd 16 其中d为最近的同时隙区域中心间的距离r为每个区域的半径。如前所述
0//PGbSIEN??并假设目标信噪比0/5dBbEN下行链路PG为21 dB则/16dBSI??代入式16可得到444BSR80cdrdrdPR 17 与频率复用方案中相同/3drN 18 其中N 为簇的大小即系统总的可分配的时隙数与每个区域分配到的时隙数之商。N的取值必须满足22Niijj 19 其中ij为正整数。r和N满足的关系式为4444BSR31313
80cNNNrPR20 当给出簇的尺寸N之后可以根据式20确定区域半径r。由式20计算得到的一组典型数值如表1所示。随着区域半径的增加同时隙移动台间的距离1530 电子与信息学报第32卷表1 典型N值对
应的r值区域半径r m 簇大小N fc 2 GHz fc 4 GHz 3 74 115 7 43 68 12 32 50 19 25 39 也随之增加下行接入干扰迅速衰减因而下行用户信干比增加。因此表1给出的满足最差情况下信干噪比要求的区域半径可以作为实际区域半径取值的最小值。同时为了满足抑制上行双工干扰的要求区域半径还必须满足式14所给出的最大值要求。结合图6和表1给出的典型情况下的数值结果我们发现基站接收天线的覆盖区域半径大约在百米或数百米范围内。因此对于要求高频谱效率的城市覆盖场景该取值满足一般分布式天线系统在覆盖效果和建设成本方面的要求。5 结论码分双工系统是一种新的双工方式可作为下一代无线通信系统的备选方案。码分双工系统实现的关键之处在于如何解决系统干扰。本文分析了系统固有的上、下行流量不对称和远近效应等特点以及如何将这些特点转化为系统信干噪比增益并进一步给出了码分双工系统上行双工干扰的消除策略和下行接入干扰的抑制方案。理论分析和仿真结果均表明该方法可以有效抑制系统干扰保证码分双工系统的正常工作。参考文献 1 Chan P W C Lo E S and Wang R R. The evolution path of 4G networks: FDD or TDD IEEE Communications Magazine 2006 4412: 42-50. 2 Spyropoulos I and Zeidler J R. Supporting asymmetric traffic in a TDD/CDMA cellular network via interference-aware dynamic channel allocation and space-time LMMSE joint detection. IEEE Transactions on Vehicular Technology 2009 582: 744-759. 3 Sang Youngj-jin Park Jin-bae and Kim Seong-lyun et al.. Overlaid HDD system using relays..
